建筑結(jié)構(gòu)原理

建筑結(jié)構(gòu)原理第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1材料的彈性、塑性和延性建筑材料是結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)。各種材料的強度和變形規(guī)律、構(gòu)件受力時截面上的應(yīng)力和應(yīng)變的分布、構(gòu)件的性能等都與材料的力學(xué)性能以及不同材料的相互作用密切相關(guān)。各種材料的性能不同，使用要求、荷載和工作條件不同的結(jié)構(gòu)對材料性能的具體要求也應(yīng)有所區(qū)別。反映材料力學(xué)性能基本規(guī)律的是材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，從對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的分析中可以得到材料彈性性質(zhì)、塑性性質(zhì)和延性等概念。2/35第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1材料的彈性、塑性和延性1、彈性一般材料在應(yīng)力較小時都具有彈性——應(yīng)力增大時應(yīng)變成比例增大，應(yīng)力下降為零時，應(yīng)變也可以完全恢復(fù)。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，其比值即為彈性模量E，即

E=σ/ε3/35第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1材料的彈性、塑性和延性2、彈塑性、塑性和脆性材料的塑性的特點是，材料受力變形后，即使卸荷，應(yīng)力降為零，應(yīng)變將保留下來，不會恢復(fù)。一般材料在應(yīng)力超過彈性階段后多會表現(xiàn)出一定的塑性。一般材料都會呈現(xiàn)出彈性和塑性，稱為彈塑性材料。有的材料的塑性變形很不明顯，破壞將在塑性變形還很小的時候發(fā)生，這種破壞時突然發(fā)生的，稱為脆性破壞。這種性質(zhì)也稱為材料的脆性。4/35第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1材料的彈性、塑性和延性3、延性延性是指材料超過彈性極限后直至破壞過程中耐受變形的能力。具有塑性的材料必然具有延性，脆性材料幾乎無延性。采用延性較大的材料的結(jié)構(gòu)在破壞前能夠耐受較大的變形。在抗震結(jié)構(gòu)中，要求材料具有較好的延性性能，因為結(jié)構(gòu)在發(fā)生較大變形的同時吸收了大量的地震能量，結(jié)構(gòu)上的地震作用效應(yīng)隨之減小。而且結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的目標(biāo)是結(jié)構(gòu)不倒塌，允許有較大的變形。5/35第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)材料的基本力學(xué)性能包括強度和變形性能兩方面。1、強度主要包括抗拉強度、抗壓強度，主要通過材料的力學(xué)試驗測定?；镜膶嶒炇窃趯嶒炇覂?nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)試件進行測定的。低碳鋼拉伸試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線式結(jié)構(gòu)用鋼的典型代表。6/35第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)高碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線中沒有明顯的屈服臺階，對于這類鋼材，往往取0.85σb作為條件屈服強度。7/35第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)有些材料還可能測定抗剪、抗折等其他強度。8/35第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)

2、變形性能主要是彈性模量和剪切彈性模量（切變模量），還包括橫向變形系數(shù)（泊松比）(教材P47倒數(shù)第13行“對所有的鋼材取統(tǒng)一的彈性模量值，Es=2.06×105N/mm2。是不確切的）9/35第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定：P72表5.1.4彈性模量E(N/mm2）剪變模量G(N/mm2）線膨脹系數(shù)α（以每℃計）質(zhì)量密度ρ（kg/m3）206×10379×10312×10-6785010/35第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)作為建筑材料，塑性性能也是一個重要指標(biāo)。鋼材的伸長率是鋼材的主要塑性指標(biāo)。冷彎性能可以反映鋼材的可加工性能，也是反映塑性的一個指標(biāo)。11/35第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)焊接性能是鋼材的重要工藝性能。焊接性能好是指焊接安全、可靠，不發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)域的塑性性能和強度都不應(yīng)低于鋼材。12/35第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)沖擊韌性是判斷鋼材在承受動力荷載作用時是否出現(xiàn)脆性破壞的主要指標(biāo)。13/35第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)

本章重點復(fù)習(xí)了材料的一般力學(xué)性能指標(biāo)。同學(xué)們應(yīng)掌握基本概念，理解結(jié)構(gòu)材料的延性和塑性性能的工程意義。本章無書面作業(yè)。請完成P48-49思考題。

其中2、3題為重點。

14/35第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和過程本章介紹建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計，介紹概念設(shè)計的重要性；在重申建筑結(jié)構(gòu)的功能要求的基礎(chǔ)上，介紹結(jié)構(gòu)的兩種極限狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況和結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和方法。通過可靠度和極限狀態(tài)方程，介紹近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法的基本思想。本章學(xué)習(xí)要求是初步理解承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，理解和掌握各種情況下荷載效應(yīng)組合的計算方法。并且了解建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。15/35第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計按是否考慮地震作用分為抗震設(shè)計和非抗震設(shè)計。對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，長期以來的概念是進行盡量精確的計算，認(rèn)為只要做好數(shù)值計算，再輔以一定的構(gòu)造措施，就可以保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。數(shù)值設(shè)計計算無疑是重要的，因為數(shù)值設(shè)計所依據(jù)的結(jié)構(gòu)計算理論和規(guī)范是長期科學(xué)研究和工程實踐的寶貴總結(jié)，在設(shè)計工作中不可稍有忽視。16/35第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計上世紀(jì)70年代以來，工程界提出了概念設(shè)計的思想。所謂概念設(shè)計是相對于數(shù)值設(shè)計而言的。這個問題首先是針對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的。教材上的工程實例，說明了目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。17/35第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月18/35第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月19/35第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計以上兩棟建筑物抗震能力的差異，說明了建筑總體布局和結(jié)構(gòu)體系的合理性在抗震設(shè)計中占有首要的地位。在強烈地震作用下，建筑物的破壞過程是十分復(fù)雜的，目前對它還沒有充分的認(rèn)識。要進行精確的抗震計算是困難的。隨著對地震災(zāi)害的不斷總結(jié)和工程抗震研究的不斷深化，人們認(rèn)識到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要問題，是提高結(jié)構(gòu)的總體抗震性能。20/35第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計人們提出了“概念設(shè)計”，并認(rèn)為它比數(shù)值計算更為重要，結(jié)構(gòu)的抗震性能在更大程度上取決于良好的“概念設(shè)計”。建筑結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計是指在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)地震震害和工程經(jīng)驗等形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從概念上，特別是從結(jié)構(gòu)總體布置上考慮抗震的工程決策，即正確地解決總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計目的的過程。21/35第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計強調(diào)建筑物總體方案和構(gòu)造設(shè)計在抗震設(shè)計中的首要地位，并不是說不需要數(shù)值設(shè)計，而是出于對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)（內(nèi)力與變形）復(fù)雜性和不確定性的認(rèn)識。如果不首先處理好總體方案和構(gòu)造設(shè)計，計算分析就缺乏良好的基礎(chǔ)。概念設(shè)計并不排斥數(shù)值設(shè)計，而是為正確的數(shù)值設(shè)計創(chuàng)造有利的條件，使數(shù)值設(shè)計的結(jié)果盡可能地反映地震時結(jié)構(gòu)的實際受力情況。22/35第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計如果總體設(shè)計存在不妥當(dāng)和錯誤，即使計算分析再細(xì)致，建筑物在地震中也難免發(fā)生嚴(yán)重的破壞甚至倒塌。23/35第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計

正確進行概念設(shè)計，將有助于明確抗震設(shè)計思想，靈活、恰當(dāng)?shù)倪\用抗震設(shè)計原則，使人們不致陷于盲目的計算工作，做到合理設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠度。24/35第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)靜力設(shè)計中，同樣應(yīng)強調(diào)概念設(shè)計。由于地基不均勻沉降、材料收縮、溫度變化等間接作用在結(jié)構(gòu)中引起的內(nèi)力和變形目前還很難計算。數(shù)值計算模型也很難避免與實際受力的差異。工程實踐表明，如果結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）選型和布置、構(gòu)造設(shè)計等概念設(shè)計環(huán)節(jié)處理不合理，即使做了細(xì)致的數(shù)值設(shè)計也可能發(fā)生質(zhì)量事故。25/35第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月26/35第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的功能要求主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的可靠性上，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)，能夠滿足預(yù)定的功能要求。結(jié)構(gòu)的功能要求包括：安全性、適用性、耐久性三個方面。27/35第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求安全性一是指結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，能夠承受可能出現(xiàn)的各種荷載作用，防止建筑物的破壞；二是指在設(shè)計限定的偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)僅發(fā)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。依據(jù)工程經(jīng)驗和近代可靠性理論，絕對避免建筑物的破壞是不可能的，結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險始終是存在的。所以，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，應(yīng)采用概率理論。28/35第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求根據(jù)建筑物的重要性，即結(jié)構(gòu)破壞時可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會應(yīng)相等）的嚴(yán)重性，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采用不同的安全等級。如表4.2.1所列。

表4.2.1建筑結(jié)構(gòu)的安全等級安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴(yán)重重要的房屋

二級嚴(yán)重一般的房屋

三級不嚴(yán)重次要的房屋

注：1、特殊建筑物的安全等級應(yīng)根據(jù)具體情況另行確定；2、抗震建筑結(jié)構(gòu)及其地基基礎(chǔ)的安全等級應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范規(guī)定。29/35第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求

適用性是指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下具有良好的工作性能，如不發(fā)生影響正常使用的過大的撓度、永久變形和過大的振幅和顯著的震動，不產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常維護的條件下具有足夠的耐久性能，即要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中、在預(yù)定時期內(nèi)、在正常維護的條件下結(jié)構(gòu)能夠被使用到規(guī)定的設(shè)計使用年限。30/35第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

上述三項功能要求概括起來稱為結(jié)構(gòu)的可靠性，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維修）下完成預(yù)定功能的能力。顯然，加大結(jié)構(gòu)設(shè)計的余量、如提高設(shè)計荷載值、加大截面尺寸或提高對材料性能的要求等，總是能夠提高或改善結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的，但無疑將提高結(jié)構(gòu)的造價，不符合經(jīng)濟性要求。結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性是對立的兩個方面，科學(xué)的設(shè)計方法應(yīng)在結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性之間選擇一種最佳的平衡，把二者統(tǒng)一起來，以比較經(jīng)濟合理的方法保證結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的可靠性。31/35第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求

在使用中，整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計的某一功能要求，此特定狀態(tài)為結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的“可靠”和“失效”的臨界狀態(tài)，稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的可靠和失效的標(biāo)志。設(shè)計中的極限狀態(tài)以結(jié)構(gòu)的某種荷載效應(yīng)（如內(nèi)力、應(yīng)力、變形、裂縫等）相應(yīng)規(guī)定的標(biāo)志為依據(jù)，故稱為極限狀態(tài)設(shè)計法。32/35第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮兩種極限狀態(tài)：

1、承載能力的極限狀態(tài)——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力、或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)。也可以理解為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)揮允許的最大承載功能的狀態(tài)。作為達(dá)到承載能力極限狀態(tài)的標(biāo)志的5種特定狀態(tài)見教材P55。

33/35第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2